Gerador Termoelétrico Experimental

Gerador Termoelétrico Experimental

O gerador termoelétrico é baseado numa célula Peltier comercial, utilizada em geladeiras e bebedouros refrigerados.

O Efeito Peltier ocorre quando uma junta de metais diferentes é percorrida por uma corrente elétrica. Nessa situação, um dos metais esquenta e o outro resfria-se.

Numa mesma junta de metais diferentes é possível reproduzir o Efeito Seebeck.

O Efeito Seebeck dá origem a uma corrente elétrica quando um dos metais da junta esquenta e o outro resfria-se.

Abaixo, mostramos uma célula comercial Peltier.



Anotamos com lápis a superfície que esquenta (Hot) e a superfície que se resfria (Cold), quando a célula é alimentada com uma corrente de aproximadamente 500 mA.

Utilizamos dois ferros de passar roupas. Aplicamos pasta térmica na superfície dos mesmos, a fim de facilitar a troca de calor entre as superfíes do ferros e da célula Peltier.



A face "Hot" da célula Peltier deve ser aplicada à superfície do ferro que será ligado. Ajustamos a temperatura desse ferro para passar tecidos de linho.  

A face "Cold" será aplicada à base do ferro de passar que permanecerá desligado. Esse ferro desligado fará o papel de dissipador de calor da face fria da célula Peltier.



Abaixo, o arranjo improvisado para implementar a célula termoelétrica experimental. Na parte superior foi instalado um resistor de corpo cerâmico, a fim de isolar a passagem de calor de um ferro de passar para o outro.



Essa célula termo elétrica substituiu uma pilha zinco-carbono AA de 1,5 V (R6)
de um rádio portátil de 4,5 V. Com uma pilha AA e uma célula termoelétrica Peltier, foi possível desenvolver aproximadamente 3,0 V a 20 mA, suficientes para fazer o rádio funcionar.





Na postagem seguinte, passaremos aspectos técnicos detalhados sobre o experimento.

Abaixo, a ficha técnica da célula Peltier:

https://peltiermodules.com/peltier.datasheet/TEC1-12706.pdf

O documento nos diz que a temperatura de operação não deve exceder 138 graus Celsius.

Dessa maneira, é necessário refrigerar o lado frio da célula, nem ultrapassar a temperatura máxima do lado quente, a fim de obter um diferencial de temperatura entre as duas faces da célula suficiente para produzir um potencial elétrico utilizável.

Encontrei uma página que mostra a célula por dentro:



fonte:
https://peltiermodules.com/

A célula Peltier é composta de semicondutores tipo "P" e N. "Logo", a temperatura máxima de junção não pode ultrapassar 150 graus Celsius.

Notar que aplicação da célula Peltier como célula termoelétrica (Seebeck) pode mudar os limites físicos de aplicação da mesma. Seria interessante se o próprio fabricante abrisse essas especificações para os projetistas. Vou tentar entrar em contato com eles.

Num rápido levantamento de propriedades elétricas, descobrimos que a temperatura do ferro de passar roupas ajustado para "tecido de linho", a tensão máxima desenvolvida para a célula foi de 2,1 Volts em circuito aberto.

Quando a célula foi ligada a uma resistência de carga de 33 Ohms, a tensão caiu para 1,5 V; a corrente correspondente atingiu 23 mA.

Infelizmente, no momento da experiência, não dispunha de um termômetro para medir as temperaturas da face quente e fria do arranjo   .

Acreditamos que seja possível utilizar a célula Peltier como gerador termoelétrico em vários arranjos série-paralelos tanto em fornos solares, fornos de lenha ou petróleo, desde que se mantenha uma boa refrigeração do lado frio da junta, bem como o limite máximo de temperatura de operação, por ora desconhecidos nessa aplicação.

Escrevemos para o representante que comercializa as células Peltier.

Obtivemos  alguns dados técnicos extras e a lista de preços publicada em maio de 2021:

"Order US$ total" means for all items together. Mixed orders OK. Discounts start for orders from $199 in basic prices.

"Pedido total de US $" significa para todos os itens juntos.
Pedidos mistos OK.
Os descontos começam para pedidos a partir de $ 199 no preço básico.

Number Description Price US$

TEC1-01708 15x15x3.7mm 8.5A/2.0V 9.5W 17 couples US$3.99

TEC1-01708S Sealed 15x15x3.7mm 8.5A/2.0V 9.5W 17 couples US$4.19

TEC1-03108 20x20x3.3mm 8.5A/3.7V 17.6W 31 couples US$4.39

TEC1-04908 25x25x3.5mm 8.0A/5.9V 30W 49 couples US$4.69

TEC1-07103 30x30x4.9mm 3.3A/8.5V 18W 71 couples US$5.69

TEC1-07103HTS High temp. Seal. 30x30x4.9mm 3.3A/8.5V 18W 71 couples US$5.99

TEC1-07108 30x30x3.8mm 8.5A/8.5V 40W 71 couples US$4.99

TEC1-07108S Sealed 30x30x3.8mm 8.5A/8.5V 40W 71 couples US$5.19

TEC1-07108HT High temp. 30x30x3.8mm 8.5A/8.5V 40W 71 couples US$5.49

TES1-12702 30x30x4.0mm 2.5A/15.4V 18W 127 couples US$3.99

TES1-12703 30x30x3.7mm 3.2A/15.4V 30W 127 couples US$4.39

TES1-12703S Sealed 30x30x3.7mm 3.2A/15.4V 30W 127 couples US$4.59

TES1-12704 30x30x3.3mm 4.3A/15.4V 40W 127 couples US$4.59

TES1-12704S Sealed 30x30x3.3mm 4.3A/15.4V 40W 127 couples US$4.79

TEC1-19903 40x40x4.4mm 3.3A/24V 47.5W 199 couples US$9.99

TEC1-12703 40x40x4.9mm 3.3A/15.4V 38W 127 couples US$6.99

TEC1-12703S Sealed 40x40x4.9mm 3.3A/15.4V 38W 127 couples US$7.19

TEC1-12703HT High temp. 40x40x4.9mm 3.3A/15.4V 38W 127 couples US$7.49

TEC1-12703HTS High temp. Seal. 40x40x4.9mm 3.3A/15.4V 38W 127 couples US$7.69

TEC1-12704 40x40x4.7mm 4A/15.4V 33.4W 127 couples US$6.29

TEC1-12705 40x40x4.2mm 5.3A/15.4V 57W 127 couples US$5.69

TEC1-12705S Sealed 40x40x4.2mm 5.3A/15.4V 57W 127 couples US$5.89

TEC1-12705HT High temp. 40x40x4.2mm 5.3A/15.4V 57W 127 couples US$6.29

TEC1-12706 40x40x3.8mm 6.4A/15.4V 63W 127 couples US$5.99  (*1)

TEC1-12706S Sealed 40x40x3.8mm 6.4A/15.4V 63W 127 couples US$6.19

TEC1-12706HTS High temp. Seal. 40x40x3.8mm 6.4A/15.4V 63W 127 couples
US$6.59

TEC1-12707 40x40x3.7mm 7.4A/15.4V 75W 127 couples US$6.39

TEC1-12707HT High temp. 40x40x3.7mm 7.4A/15.4V 75W 127 couples US$6.79

TEC1-12707HTS High temp. Seal. 40x40x3.7mm 7.4A/15.4V 75W 127 couples US$6.99

TEC1-12708 40x40x3.5mm 8.5A/15.4V 85W 127 couples US$6.59

TEC1-12708S Sealed 40x40x3.5mm 8.5A/15.4V 85W 127 couples US$6.79

TEC1-12708HTS High temp. Seal. 40x40x3.5mm 8.5A/15.4V 85W 127 couples
US$7.19

TEC1-12709 40x40x3.4mm 9A/15.4V 73W 127 couples US$6.69

TEC1-12710 40x40x3.3mm 10.5A/15.4V 100W 127 couples US$6.69

TEC1-12710S Sealed 40x40x3.3mm 10.5A/15.4V 100W 127 couples US$6.89

TEC1-12710HT High temp. 40x40x3.3mm 10.5A/15.4V 100W 127 couples US$7.29

TEC1-12710HTS High temp. Seal. 40x40x3.3mm 10.5A/15.4V 100W 127 couples US$7.39

TEC1-12712-40 40x40x3.1mm 12A/15.4V 120W 127 couples US$5.79

TEC1-12715 50x50x4.3mm 15.6A/15.4V 150W 127 couples US$21.69

TEC1-12715S Sealed 50x50x4.3mm 15.6A/15.4V 150W 127 couples US$21.89

TEC1-12715HT High temp. 50x50x4.3mm 15.6A/15.4V 150W 127 couples US$22.29

TEC1-12715HTS High temp. Seal. 50x50x4.3mm 15.6A/15.4V 150W 127 couples US$22.39

TEC1-12712-50 50x50x4.1mm 12A/15.4V 120W 127 couples US$18.29

TEC1-12730 62x62x4.8mm 30.7A/15.4V 350W 127 couples US$23.39

TEC1-12730S Sealed 62x62x4.8mm 30.7A/15.4V 350W 127 couples US$23.59

TEC1-06306 40x20x3.9mm 6A/7.6V 42W 63 couples US$4.29

TEC1-06308 40x20x3.9mm 8.5A/7.6V 32W 63 couples US$4.29

TEC1-06310 40x20x3.3mm 7.5A/7.5V 45W 63 couples US$4.29

TEC1-06312 40x20x3.1mm 9.5A/7.5V 55W 63 couples US$4.59

TEC1-06315 40x20x3.1mm 12.5A/7.6V 65W 63 couples US$5.19

fonte:
https://www.peltiermodules.com/?p=z.peltier.pricelist


(*1) A célula Peltier utilizada em nosso experimento, descrita abaixo:

[/b]TEC1-12706 40x40x3.8mm 6.4A/15.4V 63W 127 couples US$5.99  (*1) [/b]

Conforme ficha técnica...

https://peltiermodules.com/peltier.datasheet/TEC1-12706.pdf

A célula empregada é composta de 127 termopares.
A temperatura máxima de operação é de 138 graus.
Potência máxima aplicável (como célula Peltier) : 57 W
Temperatura do lado da face quente: 57 graus Celsius

Delta T máximo (diferença de temperatura entre a face quente e face fria) 75 graus Celisus.
Isso significa que a temperatura do lado frio pode chegar a:

57 - (75) = -18 graus Celsius.

O rendimento energético de nosso experimento foi muito fraco. Mal deu para substituir uma pilha zinco-carbono em baixa produção de corrente.



Dois ferros de passar roupas; um ligado e um desligado.

Notamos que se melhorarmos a dissipação de calor da face fria da célula, o rendimento deve aumentar substancialmente. Vamos tentar aplicar água refrigerante na caldeira do ferro "passivo" e verificar a diferença.

Notamos, também, que há células comerciais que operam em temperaturas mais altas:

TEC1-12706HTS High temp. Seal. 40x40x3.8mm 6.4A/15.4V 63W 127 couples
US$6.59

TEC1-12706HTS

Size 40x40x3.9mm (WxDxH), weight 27g
Imax 6.4A, Umax 15.4V, R = 1.98 ohm, 127 couples

ΔT max. = 68°C, Qmax (ΔT =0) 63.0W

Mãos à obra !

Geradores Foto-Elétricos são muito mais eficientes que os geradores por efeito Seebeck.

Mas, não funcionam à noite ou em dias de chuva   ...

Aí vai uma aplicação interessante:

Gerador Termoelétrico de Emergência



Gostaram ?

Gerador Termoelétrico - Novos Testes



Baseado na sugestão da postagem anterior, fizemos os primeiros testes de geração termoelétrica com um único ferro de passar.

Utilizamos como dissipador cerâmico uma pedra de mármore quadrada e um ferro de passar automático a vapor. Todos os testes formam feitos sem água na caldeira.



A célula Peltier é posta sobre a pedra de mármore com pasta térmica de silicone. A base do Ferro é igualmente besuntada com essa pasta.

Notar que há um resistor de carga (cilindro verde) de 33 ohms, 10 watts, ligado à célula Peltier. Através de dois jacarés, a tensão desenvolvida no circuito é medida por um voltímetro de tensão contínua.

Por um azar de experimentador, quando ajustamos o ferro de passar para "linho", ultrapassamos o limite de temperatura de soldagem dos terminais da célula e os fios romperam-se. Pacientemente, ressoldamos os terminais da célula.

O ponto de fusão de uma solda com 60% de estanho e 40% de chumbo acontece nessa faixa:

183 graus Celsius = sólido
189 graus Celsius = líquido

Conclusão, descobrimos o limite de exposição da célula Peltier da fórma mais trágica possível ...

Ressoldados os terminais da célula, continuamos os testes.



As leituras de geração de tensão foram feitas com o ferro descansando sobre a célula sem pressão adicional.

As leituras foram as seguintes:

Ajuste para tecido acetato/acrílico:  0,6 volts a 0,65 volts sobre 33 ohms;
idem, nylon/seda: 0,65 volt a 0,70 volt sobre 33 ohms;
idem, poliester: 1,0 volt a 1,1 volts sobre 33 ohms;
idem, sintéticos mistos com algodão: 0,9 volt a 1,6 volts sobre 33 ohms;
idem, lã: 1,1volts a 1,7 volts sobre 33 ohms;
idem, algodão: 1,25 volts a 1,7 volts sobre 33 ohms.

Notar que o valor máximo de tensão para tecido de lã ou algodão foram os mesmos.
A provável explicação é que a temperatura da pedra de mármore começou a subir, de modo que o "delta t" entre a face quente e fria da célula Peltier começou a diminuir.

O experimento demonstra a viabilidade de produção de energia termo-elétrica.
O grande desafio dos projetistas é encontrar um meio de estabilizar a temperatura do gerador de calor, em nossa sugestão um ferro de passar a carvão, permitindo máximo desenvolvimento de potência sem o risco de danificar a célula Peltier.

Tubos termoelétricos geram eletricidade em escapamentos de carros
Redação do Site Inovação Tecnológica - 10/09/2021

Tubos termoelétricos geram eletricidade em escapamentos de carros
Anéis termoelétricos feitos de PbTe tipo p (positivo) e tipo n (negativo) impressos em 3D são montados em módulos e, posteriormente, em tubos.


[Imagem: Jungsoo Lee et al. - 10.1002/aenm.202100190]



Tubos termoelétricos

Há muito tempo se aguarda o desenvolvimento de materiais termoelétricos - que transformam calor em eletricidade - que permitam reciclar o calor dos motores dos automóveis e dos equipamentos industriais.

Pesquisadores coreanos descobriram agora que transformar os materiais termoelétricos disponíveis atualmente em soluções efetivas e práticas pode ser tão simples quanto alterar o formato com que esses materiais são fabricados.

Jungsoo Lee e seus colegas do Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia conseguiram pela primeira vez fabricar materiais termoelétricos em formato de tubo, que se mostraram muito mais eficientes do que o mesmo material fabricado em chapas e paralelepídeos, como feito atualmente.

A equipe criou o tubo termoelétrico usando uma tinta para impressora 3D feita de chumbo (Pb) e telúrio (Te). As partículas dos dois metais foram misturadas em um solvente de glicerol para ganhar viscoelasticidade.

Essa viscoelasticidade foi essencial para usar o material em uma impressora 3D, que pode ser usada para fabricar dispositivos termoelétricos em virtualmente qualquer formato, e não apenas em tubos, permitindo seu uso nas mais diversas aplicações.

Tubos termoelétricos geram eletricidade em escapamentos de carros



Dar viscoelasticidade às partículas termoelétricas foi crucial para seu uso em uma impressora 3D.
[Imagem: Jungsoo Lee et al. - 10.1002/aenm.202100190]
Reciclagem de calor

O tubo resultante apresentou um alto desempenho termoelétrico em temperaturas entre 400 e 800 graus Celsius, que é a faixa de temperatura dos gases do escapamento dos carros, que é um dos mercados mais promissores para a reciclagem de calor.

Mas a equipe vai começar a avaliar a eficiência dos seus tubos termoelétricos montando-os como chaminés. "Por meio dessa pesquisa, seremos capazes de converter efetivamente o calor gerado pelas chaminés das fábricas, o tipo mais comum de fonte de calor residual, em eletricidade," disse o professor Jae Son.

Bibliografia:

Artigo: Doping-Induced Viscoelasticity in PbTe Thermoelectric Inks for 3D Printing of Power-Generating Tubes
Autores: Jungsoo Lee, Seungjun Choo, Hyejin Ju, Jaehyung Hong, Seong Eun Yang, Fredrick Kim, Da Hwi Gu, Jeongin Jang, Gyeonghun Kim, Sangjoon Ahn, Ji Eun Lee, Sung Youb Kim, Han Gi Chae, Jae Sung Son
Revista: Advanced Energy Materials
DOI: 10.1002/aenm.202100190



https://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=tubos-termoeletricos-geram-eletricidade-escapamentos-carros&id=010115210910&ebol=sim#.YTs6hVVKi1s